TECNOLOGIA
ADRIANO FAGALI DE SOUZA – [email protected]
ADILSON JOSÉ DE OLIVEIRA – [email protected] ULISSES BORGES SOUTO – [email protected]
CLAUS SACHS – [email protected]
É notório o crescimento da indústria de moldes e matrizes e sua importância para diferentes cadeias produtivas. Estes ferramentais são necessários para a produção de produtos e componentes simples, como frascos e embalagens, até produtos com maior valor agregado, como os diversos componentes de um automóvel ou avião.
Nesta cadeia de fabricação, diversas etapas são empregadas (Figura 1): desenvolvimento de produto; projeto; materiais; processos de fabricação; inspeção e ajuste final [1].
O maior fator de impacto no custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é relativo à manufatura do molde, atingindo patamares de até 30% [2]. Portanto, a etapa de fabricação de moldes e matrizes possui grande influência no produto final, envolvendo custos, tempo e qualidade final.
A falta de padronização nos processos de fabricação destes ferramentais também é conhecida. Diferentes fabricantes de moldes utilizam diferentes processos para fabricar o mesmo molde. É necessário aprimorar a fabricação de moldes e matrizes no Brasil. Um estudo constatou que a indústria brasileira de moldes é tecnologicamente heterogênea na fabricação destes ferramentais [3].
O projeto de pesquisa denominado
HIDAM/BRPR980753 (High Speed Milling in Die and
Mould Making) desenvolvido pelo Instituto Für
Produktionstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen
(PTW), da Universidade Técnica de Darmstadt, Alemanha, teve a finalidade de avaliar a metodologia de usinagem de moldes e matrizes entre empresas européias. Constataram-se grandes divergências em seus processos produtivos. Para este projeto foi desenvolvido um modelo geométrico contendo formas complexas para o processo de usinagem. Este modelo foi utilizado como corpo de prova neste estudo e fabricado por várias empresas. Cada empresa fez uso
de seus conhecimentos práticos para definir as estratégias de usinagem. Observaram-se grandes
diferenças entre as metodologias de trabalho
empregadas por cada empresa: parâmetros de corte; ferramentas; processos de fabricação. Isto teve grande influência nos resultados da usinagem, em termos de custo, tempo de fabricação e qualidade do produto final [4].
Baseados nestas constatações, o evento
Programador CAM foi proposto para atingir os seguintes objetivos gerais:
• Desenvolver o conhecimento desta importante
etapa de fabricação;
• Difundir o conhecimento;
• Promover discussões e troca de informações;
• Desenvolver raciocínio crítico para aprimoramento
deste processo de fabricação;
• Capacitar professores, alunos e profissionais do
segmento;
• Buscar a valorização profissional;
• Estimular a integração da indústria com a
comunidade acadêmica.
Desta forma, o evento Programador CAM é composto por um concurso e um seminário. O Concurso
Programador CAM tem o objetivo eleger os melhores
profissionais que trabalham com a programação CNC,
via software1 CAD/CAM2, para a fabricação de moldes e
matrizes, além de alunos de cursos técnicos, graduação e pós-graduação. O concurso visa contribuir com o
1
Software: ou programa de computador, é composto por uma seqüência de instruções, que é interpretada e executada por um processador. Essa sequência segue padrões específicos que resultam em um comportamento desejado.
2
CAD/CAM: Computer Aided Design (projeto auxiliado por computador) e Computer Aided Manufacturing (fabricação auxiliada por computador).
Programador CAM: foco no
desenvolvimento profissional
O projeto Programador CAM é um evento inovador, considerado um marco na centralização de
discussões técnicas sobre tecnologias e processos utilizados na fabricação de moldes e
matrizes. Tem por objetivo auxiliar o desenvolvimento da indústria de moldes e matrizes e é
um importante veículo para estimular o questionamento sobre este processo de fabricação.
desenvolvimento deste importante segmento industrial, e demais indústrias relacionadas, aprimorando e divulgando o conhecimento tecnológico. O trabalho eleito e sua respectiva instituição são premiados.
Com o objetivo de disseminar o conhecimento, o trabalho eleito deverá ser apresentado no Seminário Programador CAM, que irá divulgar os principais resultados técnicos do concurso além de conter palestras técnicas de alto nível, focadas diretamente a fabricação de moldes e matrizes.
ORGANIZAÇÃO DO EVENTO
O evento é dirigido por um coordenador geral e apoiado por:
a) Comissão Organizadora. Tem por objetivo auxiliar
nas definições gerais, tais como: formato do evento, regulamento, edital, palestrantes e patrocinadores. Como o objetivo de integrar o rigor científico da academia à necessidade real da indústria, esta comissão é formada por membros representativos de ambas as entidades.
b) Comissão Julgadora. Também formada por
representantes da indústria e da academia, tem por objetivo definir todas as informações para o concurso, dentre as quais: geometria a ser estudada; critérios de
avaliação; julgamento dos trabalhos e outras
informações pertinentes.
Regulamentação e edital do evento
Foram elaborados um regulamento e o edital para o concurso, podendo participar profissionais, estudantes ou interessados ao tema. Não há restrições, de
nenhuma classe, quanto à inscrição do candidato e não é cobrada taxa de inscrição para a participação neste concurso. O vencedor recebe o prêmio de R$ 4.000,00, passagem aérea e hospedagem na cidade de Joinville, Santa Catarina, local de realização do Seminário. Os candidatos do concurso de 2007 ainda receberam considerável prêmio de participação.
Como consta no regulamento do concurso, o material submetido pelos candidatos poderá ser utilizado para publicação.
Aos candidatos inscritos pela internet, é encaminhado por e-mail um plano de trabalho, contendo todas as informações pertinentes ao desenvolvimento do trabalho além do modelo geométrico (CAD 3D) a ser fabricado.
Cada candidato pode submeter apenas um trabalho. O candidato deverá desenvolver o trabalho, conforme regulamento do concurso, onde se encontram todas as informações cabíveis.
Geometria e avaliação dos trabalhos
Na primeira etapa de discussões, a comissão seleciona algumas características geométricas, críticas para a fabricação de moldes e matrizes, e que devem fazer parte da geometria do concurso. As principais características listadas são:
• Ser cavidade com relativa profundidade;
• Conter raios de 1 mm em cavidades;
• Conter canto vivo no fundo;
• Conter furos de 30 / 22 / 16 mm – com acabamento;
• Perfil não retangular de cavidade – forçar o
questionamento EDM versus usinagem;
• Acrescentar superfícies de fechamento;
CAD/CAM Máquina / CNC Etapas do processo de usinagem
Processos de fresamento
Manufatura de produtos plásticos que utilizam ferramentais
Desenvolvimento de Produto Caracterização de Materiais Fabricação do ferramental Processos de transformação Inspeção e Certificação Projeto do ferramental Cadeia de Manufatura Eletro-erosão Torneamento Fresamento Retífica
Processos de usinagem
Desbaste Alívio de cantos Pré-acabamento Acabamento Polimento Ajustes
Usinagem Processos de fabricação
Inspeção
• Contemplar regiões côncavas e convexas;
• Conter canto vivo no macho;
• Acrescentar regiões que requeiram mais de uma
fixação e;
• Acrescentar geometria – torre com perfil não
retangular – com parede inclinada.
Baseado nestas características, e com o objetivo de tornar o concurso próximo da realidade industrial, encontrou-se na geometria da cavidade de um retrovisor para automóveis o corpo de provas ideal. Foram realizadas algumas alterações geométricas, visando elevar o grau de complexidade para a fabricação. A Figura 2 ilustra a geometria do concurso.
Figura 2 - Geometria para estudo no concurso
Com o objetivo de manter a importância do concurso como fonte de estudo e desenvolvimento, a comissão organizadora optou por não restringir a utilização de um
software CAD/CAM específico, assim como fluídos e
ferramentas de corte.
Por outro lado, exige-se a apresentação de licença de uso do software, garantindo a aplicação de programas legalizados.
Foram restringidos apenas o equipamento,
máquina/CNC e a matéria-prima, pois estes itens não interferem na qualidade da programação e nos processos de fabricação.
Os trabalhos são avaliados conforme avaliação e consenso da Comissão Julgadora. Para manter idoneidade do concurso, os trabalhos são numerados no momento do recebimento, e identificados apenas após o julgamento. As decisões tomadas por esta Comissão são soberanas, irrecorríveis e irrevogáveis.
Os trabalhos são avaliados seguindo os principais critérios:
• Itens técnicos de programação CNC / planejamento
de processo / estratégias de fabricação;
• Qualquer diferencial que agregue à ótima aplicação
da tecnologia CAD/CAM/CNC ao referido processo de fabricação, envolvendo tempo, qualidade e custo.
• Forma de apresentação do trabalho. Elaboração,
redação do trabalho e justificativa das opções de fabricação adotadas;
Conforme edital e regulamento, os candidatos cedem à organização do evento o direto de divulgar qualquer imagem e informação pertinente ao concurso.
RESULTADOS GERAIS DO EVENTO
Inscreveram-se no Concurso Programador CAM 2007, 119 candidatos, do Brasil e exterior (Portugal, Espanha e Costa Rica). A Figura 3 ilustra o número de participantes por região.
Figura 3 – Distribuição de candidatos por origem
O vencedor do concurso na edição 2007, Walter Lebante, da empresa WCAM de São Bernardo do Campo, São Paulo, apresentou seu trabalho no final do seminário do dia 19 de novembro de 2007.
Estiveram presentes no Seminário mais de 120 participantes, representando empresas de diversas regiões do país. Aproximadamente 100 kg de alimentos
foram arrecadados e serão distribuídos em
comunidades carentes.
Foram realizadas oito palestras técnicas, com a
participação de renomados pesquisadores e
representantes da área.
RESULTADOS TÉCNICOS
O ponto mais importante a ser observado é a significativa disparidade entre os processos de fabricação propostos por cada programador, envolvendo ferramentas de corte, operações de usinagem, eletro-erosão, tempo de fabricação, dentre outras. A Tabela 1 apresenta estas disparidades para os casos extremos:
Perfil dos Candidatos do Concurso Pragramador CAM 2007 44 5 10 3 10 43 1 3 119 0 20 40 60 80 100 120 140
São Paulo Minas Gerais Paraná Rio de Janeiro Rio Grande do Sul Santa Catarina Mato Gross o do Sul Exterior TOTAL Localidade
Tabela 1 – Opções de fabricação. Disparidades nos processos em casos extremos. Número operações Número de ferramentas Fixações Tempo de usinagem Eletrodos 51 18 3 11 horas 24 6 6 1 41 horas 8
A seguir estão apresentados os pontos que foram julgados como destaque pela comissão julgadora:
I. Usinagem em função da superfície. Alguns
candidatos dividiram a geometria do molde em áreas do produto e áreas de fechamento do molde. As superfícies de fechamento devem ser usinadas com mais cautela, pois implicam diretamente no ajuste final do ferramental, e consequentemente, no tempo de fabricação. Trabalhar com valores de tolerância, estratégias de corte e superfícies de auxílio, podem auxiliar nesta etapa.
II. A Figura 4 ilustra a separação das superfícies
realizadas de forma exemplar pelo candidato Ozéias Tavares.
Superfície de fechamento plano Superfície de fechamento lateral Superfície de fechamento superior Superfície de fechamento inferior
Figura 4 – Classificação de regiões para processos distintos de
usinagem
III. Fixações da peça. Para a fabricação da geometria
proposta no concurso, recomenda-se o uso de duas fixações. Entretanto, uma terceira fixação foi realizada pelo candidato Walter Lebante, para permitir melhor atuação da ferramenta de corte, como ilustra a Figura 5.
Figura 5 – Fixações adicionais para a fabricação
IV. Para referenciar a peça, o candidato Alan Fagundes
utilizou uma esfera padrão, fixa ao molde, como ilustra a Figura 6.
Figura 6 – Proposta para melhor referenciar a usinagem de
regiões específicas do molde
V. Tolerância para cálculo dos programas. Apenas
alguns trabalhos utilizaram diferentes valores de tolerância para realizar as operações de desbaste e acabamento. Fato importante para a otimização das operações de desbaste, onde a tolerância não é crucial, agilizando tempo de cálculo das trajetórias de ferramenta, reduzindo tamanho dos programas NC, permitindo atingir a velocidade de avanço programada de forma mais constante.
VI. Atenção na usinagem de determinadas regiões. A
geometria do molde possui uma região estreita com elevada profundidade. Alguns candidatos trabalharam de forma adequada esta região, criando superfícies de proteção, a fim de realizar o desbaste inicial. Posteriormente, em uma outra operação de usinagem, foi realizado, de forma mais cautelosa, o desbaste e acabamento desta área específica.
VII. Fixação da peça na máquina. Uma boa prática
utilizada pelo vencedor do concurso é posicionar e fixar a peça na mesa da máquina, de forma que o operador possa ter a maior visão possível das regiões
a serem usinadas. Está técnica repercute na agilidade para a fabricação do ferramental.
VIII. Comprimento da ferramenta. O escalonamento do
comprimento das ferramentas, com o objetivo de reduzir vibrações, é uma importante prática. Poucos trabalhos apresentaram esta consideração.
IX. Sobre metal distinto. Com o objetivo de agilizar a
fabricação, o candidato vencedor optou em utilizar o valor de 0,2 mm de sobre-metal nas áreas planas e 0,5 mm nas demais regiões, otimizado o processo de usinagem.
CONCLUSÕES
O Evento Programador CAM demonstrou ser uma importante ferramenta para desenvolver a indústria de moldes, matrizes e demais relacionadas.
Verificou-se a grande disparidade entre os processos de fabricação submetidos para avaliação.
Muitas questões técnicas, que poderiam aprimorar a fabricação da geometria do concurso, não foram abordadas na maioria dos trabalhos. Resumidamente, algumas características do processo que poderiam gerar a otimização na fabricação estão citadas a seguir:
• Melhor avaliar parâmetros de corte em função da
ferramenta e material;
• Trabalhar valores de tolerância para cálculo dos
programas CNC;
• Estratégias de corte em função das superfícies.
Corte concordante/discordante;
• Redução de eletrodos;
• Superfícies de fechamento;
• Vibração na usinagem;
• Explorar melhor a capacidade da máquina e do
comando CNC.
Uma página na internet foi elaborada contendo todas
as informações do evento Programador CAM
(http://www.sociesc.org.br/programadorcam2007). Nesta pagina estarão informações sobre as próximas edições do evento. A página hospedará também um importante grupo de discussões sobre a fabricação de moldes e matrizes. Será um espaço para troca de informações, dúvidas e esclarecimentos sobre este processo de fabricação.
De maneira geral, algumas questões importantes e que podem fazer o diferencial competitivo, não foram observadas nos trabalhos encaminhados. Desta forma, sugerem-se, aos profissionais de programação e fabricação de moldes e matrizes, alguns itens para consideração:
I. Os parâmetros de corte, tais como: velocidade de
corte, avanço por aresta, profundidade axial e radial de usinagem, em função do aço a ser usinado, devem ser avaliados com mais rigor, com o objetivo de reduzir o tempo de usinagem.
II. Nenhum trabalho verificou os recursos do equipamento disponível para a fabricação. Os recursos e capacidade da máquina e comando numérico devem ser explorados, tais como: potência da máquina; rotação do eixo-árvore; velocidades de deslocamento; funções especiais do CNC para
trabalho em altas velocidades; dentre outros
diferenciais do equipamento.
III. Nenhum trabalho discutiu a necessidade de qualidade superficial após a usinagem, em função do tempo, custo e qualidade do polimento posterior.
IV. O sentido de corte, concordante e discordante, assim
como as trajetórias de ferramenta, também pode ser utilizado como um diferencial na qualidade da usinagem.
V. A aplicação de ferramentas com pequenos diâmetros
associadas à tecnologia de usinagem em altas velocidades deve ser considerada para substituir os processos de usinagem por eletro-erosão, quando possível.
VI. A definição das ferramentas de corte, geometrias,
diâmetros e recobrimentos deve ser executada com critério.
VII. Entradas e saídas da ferramenta. Na geometria
proposta, embora houvesse a possibilidade de realizar as entradas da ferramenta por fora do bloco, situação mais indicada na maioria dos casos, alguns trabalhos utilizaram entradas da ferramenta em rampa ou hélice, ao centro do bloco.
VIII. Sugere-se utilizar diferentes valores de tolerâncias de
cálculo das trajetórias de ferramenta, no sistema CAM, para as operações de desbaste, pré-acabamento e pré-acabamento final. O valor de tolerância influencia diretamente no tempo de usinagem [5]. Em muitos casos, o valor de tolerância pode representar reduções consideráveis dos tempos de fabricação, principalmente em equipamentos que necessitem a execução de programas por blocos, através de um PC externo.
IX. Todos os candidatos geraram programas CNC
utilizando a tradicional interpolação linear de segmentos de retas (comandos G01). A utilização de
polinômios Spline3 pode representar maior velocidade
de avanço, e com isso, redução dos tempos de fabricação.
3
Spline: Matematicamente, sugere-se denominar por função Spline o
equacionamento capaz de representar uma curva empregando um polinômio paramétrico para tal fim.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem os membros das comissões Adelmar Eger, João Godinho, Deniel Felipe Ribeiro, Walter Otto Pfützenreuter e Adriano Albano. Toda a equipe de apoio, em especial as secretárias Daiana Kelm e Deise Rose da Silva e ao aluno de iniciação científica Caio Zafalon; à SOCIESC Ferramentaria e ao Departamento de pesquisa da SOCIESC. Este evento não seria concretizado sem o apoio dos patrocinadores, DMG, Villares Metals e Siemens. Os autores agradecem também o apoio do Instituto Fábrica do Milênio – IFM, Associação Empresarial de Joinville – ACIJ, Associação de Joinville e Região da Micro e Pequena Empresa – AJORPEME, Associação Brasileira dos Fabricantes de Máquinas e Equipamentos – ABIMAQ, Revista Ferramental, Revista Máquinas e Metais e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Santa Catarina - FAPESC.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Souza, A. F.; Albano, A.; Balzer, P. S.; Reis, A. R.;
Hupalo, M. F. (2007). Investigation of mould
manufacturing chain part I: project methodology and first results. Proceedings of COBEM 2007 19th International
Congress of Mechanical Engineering. November 5-9, 2007, Brasília, DF
[2] Boujelbene, M.; Moisan, A.; Tounsi, N.; Brenier, B. (2004). Productivity enhancement in dies and molds
manufacturing by the use of C1 continuous tool path.
International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44, n.1, p.101-107, Janeiro 2004
[3] Gregolin, J. A. R.; Antunes, A. M. S. (2002). Estudo
prospectivo sobre tecnologias de fabricação de moldes para injeção de plásticos. Relatório. Projeto de
pesquisa fomentado pela FINEP
[4] Schützer, K.; Souza, A. F.; Stanik, M. (2000).
Aplicação da usinagem com altíssima velocidade de corte na manufatura de moldes e matrizes. In: Anais do
Congresso Usinagem 2000. São Paulo, Setembro 2000 [5] Souza, A. F.; Coelho, R. T. (2007). Experimental
Investigation of Feed Rate Limitations on High Speed Milling Aimed at Industrial Applications. International
Journal of Advanced Manufacturing Technology. DOI 10.1007/s00170-006-0445-2
Adriano Fagali de Souza – Doutor em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Atualmente é
coordenador do Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica da Sociedade Educacional de Santa Catarina – SOCIESC. Desenvolve projetos envolvendo a fabricação de moldes e matrizes; sistemas CAD/CAM/CNC/CAx e usinagem em altas velocidades (HSC).
Adilson José de Oliveira – Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual de Campinas. É professor-pesquisador da
Sociedade Educacional de Santa Catarina – SOCIESC. Principais temas de pesquisa: fresamento com alta velocidade de corte, programação CAD/CAM/CNC, torneamento em operação de acabamento de aços endurecidos, torneamento em desbaste de aços e desgaste de ferramentas.
Ulisses Borges Souto – Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Uberlândia – UFU, mestre em Engenharia Mecânica
e engenheiro mecânico pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – PUC-MG. É professor e pesquisador da Sociedade Educacional de Santa Catarina – SOCIESC. Trabalha com projetos relacionados à usinagem e ao monitoramento de seus processos.
Claus Sachs – Técnico em Mecânica e Metalurgia, graduado em Administração de Empresas e pós-graduado em Gestão de Compras. É
